【正文】 保證手架在此過程中不發(fā)生伸縮現(xiàn)象。當(dāng)C點與E重合后，拔刀動作完成，此時手架旋轉(zhuǎn)軸上的觸點a觸動行程開關(guān)1，發(fā)出手架旋轉(zhuǎn)180176。當(dāng)手臂伸出和手指夾緊動作完成后，準(zhǔn)備拔刀，此時，手架旋轉(zhuǎn)軸與凸輪的接觸點E恰好到達(dá)凸輪上的B點位置。在旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)75176。對于這種機構(gòu)，只要設(shè)計好凸輪的輪廓曲線以及凸輪的轉(zhuǎn)速，就可實現(xiàn)預(yù)期的各種運動。后，電動機M停止工作，手架恢復(fù)到初始位置，等待下一次換到指令。當(dāng)手臂縮回動作完成后，發(fā)出手架復(fù)位指令。后，發(fā)出插刀動作信號，手架伸縮液壓缸開始反行程動作。當(dāng)手架伸縮液壓缸活塞運動到設(shè)計位置時，拔刀動作完成，電動機M啟動，手架開始旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)主軸刀具與刀庫刀具的互換動作。到達(dá)工作位置后，電動機M停止工作，并發(fā)出手臂伸縮和手指夾緊信號。工作原理：當(dāng)加工中心發(fā)出換刀信號后，控制小齒輪軸運動的電動機M啟動，通過單級圓錐齒輪帶動手架旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。手架旋轉(zhuǎn)軸上開有很長的鍵槽，通過滑鍵與圓錐齒輪相連，這樣就可以使手架旋轉(zhuǎn)運動與手架的伸縮運動之間互不干擾。手架在插刀動作結(jié)束后，發(fā)出手指松開指令，此時液壓缸2和2′反行程工作，當(dāng)活塞運動到初始位置后，手指恢復(fù)到原位置，同時發(fā)出手臂縮回指令，液壓缸1和1′開始動作，當(dāng)手臂縮回到初始位置后，活塞不再運動，手臂伸縮液壓缸進(jìn)油腔內(nèi)油壓力升高，即發(fā)出手架復(fù)位指令。到指定位置后，發(fā)出手臂伸出指令，液壓缸1和1′工作，當(dāng)兩液壓缸的活塞運動到設(shè)計位置后不再運動，進(jìn)油腔油壓力升高，壓力繼電器開關(guān)動作，發(fā)出手指夾緊指令，手指夾緊液壓缸2和2′工作，由活塞桿推動手指運動，手指開始夾緊。結(jié)構(gòu)設(shè)計方案Ⅱ此方案在結(jié)構(gòu)和原理上都與前一種方案相似，不同的是它綜合了方案Ⅰ的各自優(yōu)點，每側(cè)都由一個液壓缸驅(qū)動兩個手指運動，即實現(xiàn)了運動的靈活性又使它在結(jié)構(gòu)上比較簡單。當(dāng)手指夾緊工件后，手指夾緊液壓缸的進(jìn)油腔內(nèi)的油壓力升高，發(fā)出手架伸出指令，開始拔刀動作。 手臂伸縮與手指夾緊機構(gòu)Ⅰ工作原理：當(dāng)手架旋轉(zhuǎn)75176。并且由于兩手伸縮回轉(zhuǎn)式單臂雙爪機械手的兩手可伸縮，縮回后回轉(zhuǎn)，可避免與刀庫中其他刀具干涉，所以，以下2種設(shè)計方案中的換刀機械手都為兩手伸縮回轉(zhuǎn)式單臂雙爪機械手。1 / 46第2章 總體方案設(shè)計與論證 加工中心換刀機械手的設(shè)計要求設(shè)計加工中心換刀機械手，使其實現(xiàn)手指夾緊、手臂伸縮、手架伸縮以及手架旋轉(zhuǎn)運動，并設(shè)計出它的傳動控制部分，以保證加工中心換刀機械手能夠準(zhǔn)確、穩(wěn)定、快速、可靠的完成換刀過程。對設(shè)計中出現(xiàn)的齒輪、軸等重要零部件通過計算確定尺寸后，要進(jìn)行安全校核。確定各個運動的驅(qū)動機構(gòu)。對所選設(shè)計方案中換刀機械手的組成機構(gòu)及各個自由度運動的實現(xiàn)進(jìn)行分析。 研究的主要內(nèi)容加工中心換刀機械手的設(shè)計是在實現(xiàn)手指夾緊、手臂伸縮、手架伸縮以及手架旋轉(zhuǎn)運動的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)其準(zhǔn)確、快速、可靠、穩(wěn)定的換刀。機械手應(yīng)具備足夠的轉(zhuǎn)矩，同時還應(yīng)使機械手具備結(jié)構(gòu)緊湊、占據(jù)空間小的特點，以適應(yīng)不同類型機床的換刀空間[4]。目前，國內(nèi)也出現(xiàn)了立、臥兩用凸輪式換刀機械手和用于五軸聯(lián)動的換刀機械手的研究。換刀機械手的形式有單臂式、雙臂式、回轉(zhuǎn)式和軌道式等，而常用雙臂式機械手的手爪結(jié)構(gòu)形式又分為鉤手、抱手、伸縮手和叉手等[2]。無機械手換刀方式是由刀庫和機床主軸的相對運動實現(xiàn)刀具的交換的，這種方式結(jié)構(gòu)簡單，但換刀時間要長。加工中心的自動換刀形式可分為無機械手換刀方式和有機械手換刀方式兩大類。作為自動換刀裝置，它需要滿足換刀迅速、時間短，重復(fù)定位精度高，刀具儲存量足夠，所占空間位置小，工作穩(wěn)定可靠等特點[3]。自動換刀裝置可幫助數(shù)控機床節(jié)省輔助時間，并滿足在一次安裝中完成多工序、工步加工要求。加工中心是備有刀庫，并能自動更換刀具，對工件進(jìn)行多工序加工的一種功能較全的數(shù)字控制機床，也是典型的集高新技術(shù)于一體的機械加工設(shè)備，它的發(fā)展代表了一個國家設(shè)計、制造的水平，是判斷企業(yè)技術(shù)能力和工藝水平標(biāo)志的一個方面[2]。有資料顯示，刀庫和機械手的故障率約占整機故障率的25%[1]。它的快速、準(zhǔn)確的換刀程序是影響加工中心發(fā)揮高效、可靠的加工性能的重要因素。功能部件技術(shù)水平的高低、性能的優(yōu)劣以及整體的社會配套水平，都直接決定和影響著數(shù)控機床整機的技術(shù)水平和性能，也制約著主機的發(fā)展速度。但是，通過有關(guān)部門給出的資料，只要作進(jìn)一步的分析與了解，我們就會發(fā)現(xiàn)，國產(chǎn)數(shù)控機床在消費量的臺數(shù)中雖占有一半（55%）以上，但它們多是些技術(shù)水平較低、價格相對便宜的普通產(chǎn)品，如數(shù)控車床、數(shù)控銑鏜床和線切數(shù)機床等，高、中檔數(shù)控產(chǎn)品則較少，而且這些產(chǎn)品的核心技術(shù)或功能部件，如加工中心換刀機械手、全功能的數(shù)控伺服系統(tǒng)，高速電主軸，數(shù)控刀架乃至高速安全防護(hù)裝置等，還多是由中外合資企業(yè)提供或是從國外進(jìn)口的[1]。 換刀機械手的發(fā)展現(xiàn)狀近年來，隨著世界制造業(yè)向中國轉(zhuǎn)移，我國對機床的需求量大增。第1章 緒論 加工中心換刀機械手設(shè)計的目的及意義本設(shè)計主要是在實現(xiàn)手指夾緊、手臂伸縮、手架伸縮以及手架旋轉(zhuǎn)運動的基礎(chǔ)上，為加工中心換刀機械手的研究提供幾種新的設(shè)計方案，并通過論證分析，選擇其中一種比較理想可行的方案進(jìn)行設(shè)計計算，以達(dá)到準(zhǔn)確、穩(wěn)定、快速、可靠換刀的目的。在滿足加工中心換刀機械手各種運動要求的同時，本設(shè)計也在一定程度上簡化了換刀機械手的結(jié)構(gòu)，以方便加工中心換刀機械手的加工制造過程。同時，經(jīng)過多年的努力，我國數(shù)控機床的開發(fā)水平也有了很大進(jìn)步，數(shù)控機床的品種和質(zhì)量均比以往有所提高，部分機床制造主導(dǎo)廠還開發(fā)出具有相當(dāng)水平的數(shù)控設(shè)備。這也說明由于技術(shù)發(fā)展的不平衡，在多種條件制約下，目前我國數(shù)控機床的整件技術(shù)水平與國際先進(jìn)水平相比還有一定距離，部分高性能、高速、高精度的數(shù)控機床仍需要依靠海外進(jìn)口。而換刀機械手則是加工中心穩(wěn)定可靠運行的關(guān)鍵功能部件。沒有換刀機械手，就不可能有集中工序進(jìn)行加工的加工中心。所以說，換刀機械手的性能、質(zhì)量直接影響著數(shù)控機床整機的性能、質(zhì)量和品種的發(fā)展。加工中心中實現(xiàn)刀庫和機床主軸之間傳遞和裝卸刀具的裝置稱為自動換刀裝置，它的功能是儲備一定數(shù)量的刀具并完成刀具的自動交換。它由存放刀具的刀庫和換刀機構(gòu)組成。換刀裝置中刀具的交換形式及它們的具體結(jié)構(gòu)對機床的工作效率和工作可靠性有著直接影響。無機械手換刀方式一般是采用把刀庫放在主軸箱可以運動到的位置，同時，刀庫中刀具的存放方向一般與主軸上的裝刀方向一致。目前，加工中心的自動換刀裝置大都采用有機械手換刀方式，因為有機械手換刀裝置在刀庫的配置、與主軸的相對位置及刀具數(shù)量確定上都比較靈活，機械手?jǐn)?shù)量和換刀形式比較隨意，換刀時間比較短，應(yīng)用廣泛[4]。加工中心換刀機械手作為數(shù)控機床的一個重要的功能部件，它在國內(nèi)外的數(shù)控機床制造領(lǐng)域中已受到廣泛的重視。加工中心換刀機械手的主要任務(wù)是，完全模擬人手的換刀動作，給機床主軸與彈簧夾頭提供相對轉(zhuǎn)動實現(xiàn)夾緊、放松刀具的動作。隨著機械加工業(yè)的發(fā)展，制造行業(yè)對加工中心換刀機械手的需求量會越來越大。設(shè)計得主要內(nèi)容如下：根據(jù)目前常用的加工中心換刀機械手的換刀方式，對手臂伸縮與手指夾緊機構(gòu)、手架旋轉(zhuǎn)與手架伸縮機構(gòu)的設(shè)計提出幾種新的方案，并通過對所提出方案的論證分析，選擇一種較為理想的方案進(jìn)行具體的設(shè)計。對加工中心換刀機械手的手指夾緊力進(jìn)行分析與計算，并對其關(guān)鍵部位進(jìn)行校核，以保證換刀的可靠性。對設(shè)計中所涉及到的液壓缸通過計算確定其個部分結(jié)構(gòu)的具體尺寸，并對個活塞桿的強度、穩(wěn)定性以及螺栓的強度進(jìn)行校核，以保證加工中心換刀機械手能夠穩(wěn)定、可靠的完成換刀過程。設(shè)計出加工中心換刀機械手的控制系統(tǒng)部分，完善設(shè)計內(nèi)容。 初步設(shè)計方案 手臂伸縮與手指夾緊機構(gòu)由于與機械、電力傳動相比，液壓傳動具有體積小、質(zhì)量輕、功率大運動平穩(wěn)的特點，并且因為液壓元件有自我潤滑作用，使用壽命長[5]，所以在以下幾種設(shè)計方案中，手臂伸縮運動及手指夾緊運動都采用液壓的驅(qū)動方式。結(jié)構(gòu)設(shè)計方案Ⅰ在此方案中，加工中心換刀機械手四個手指的運動分別由四個液壓缸單獨控制，這使得它運動的靈活性很強。到指定位置后，發(fā)出手臂伸出指令，手臂伸縮液壓缸1和1′工作，當(dāng)兩液壓缸的活塞運動到設(shè)計位置后，進(jìn)油腔油壓力升高，壓力繼電器開關(guān)動作，并發(fā)出手指夾緊指令，手指夾緊液壓缸 2′以及3′工作，手指開始夾緊。手架在插刀動作結(jié)束后，發(fā)出手指松開指令，此時手指夾緊液壓缸3和2′、3′反行程運動，當(dāng)活塞運動到初始位置后，手指恢復(fù)到原位置，當(dāng)進(jìn)油腔內(nèi)油壓力升高后，壓力繼電器開關(guān)動作，發(fā)出手臂縮回指令，液壓缸1和1′開始動作，當(dāng)手臂縮回到初始位置后，活塞不再運動，手臂伸縮液壓缸進(jìn)油腔內(nèi)油壓力升高，即發(fā)出手架復(fù)位指令。 手臂伸縮與手指夾緊機構(gòu)Ⅱ工作原理：當(dāng)手架旋轉(zhuǎn)75176。當(dāng)手指夾緊工件后，手指夾緊液壓缸的進(jìn)油腔內(nèi)的油壓力升高，發(fā)出手架伸出指令，開始拔刀動作。 手架旋轉(zhuǎn)與手架伸縮機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計方案Ⅰ此方案的主要特點是，手架旋轉(zhuǎn)軸與手架伸縮液壓缸之間通過一對角接觸球軸承來連接，由這對軸承向旋轉(zhuǎn)軸傳遞活塞桿的推力和拉力，實現(xiàn)手架的伸縮運動，并且保證手架旋轉(zhuǎn)軸在旋轉(zhuǎn)時也不會干擾到手架伸縮液壓缸。對于手架的旋轉(zhuǎn)運動，則采用電動機驅(qū)動方式，用延時繼電器控制電動機的起、停時間，并由單級圓錐齒輪將電動機的運動傳遞給手架旋轉(zhuǎn)軸，這在一定程度上簡化了加工中心換刀機械手的機械結(jié)構(gòu)。在旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)75176。當(dāng)手臂伸縮和手指夾緊動作完成后，即發(fā)出拔刀信號，手架伸縮液壓缸動作，開始拔刀動作過程。當(dāng)手架旋轉(zhuǎn)180176。插刀動作完成后，又依次完成手指松開和手臂縮運動。電動機M啟動并反轉(zhuǎn)，帶動手架旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，在反向旋轉(zhuǎn)75176。結(jié)構(gòu)設(shè)計方案Ⅱ此方案的主要特點是采用凸輪機構(gòu)實現(xiàn)加工中心換刀機械手的拔刀和插刀動作。 機構(gòu)Ⅰ 機構(gòu)Ⅱ工作原理：當(dāng)加工中心發(fā)出換刀信號后，由電動機帶動凸輪從A點位置開始旋轉(zhuǎn)，在凸輪開始旋轉(zhuǎn)的同時，控制小齒輪軸運動的電動機M也啟動，通過單級圓錐齒輪帶動手架旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。到達(dá)工作位置后，電動機M停止工作，并發(fā)出手臂伸出和手指夾緊信號，此時凸輪繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。凸輪繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，隨著凸輪上C點向E點的逼近，手架伸出，開始拔刀動作過程。的信號，電動機M啟動，手架開始旋轉(zhuǎn)。當(dāng)手架旋轉(zhuǎn)180176。當(dāng)凸輪上的F點到達(dá)E點位置后，插刀動作結(jié)束。當(dāng)手臂縮回動作完成后，發(fā)出手架復(fù)位指令。后，電動機M停止工作，帶動凸輪轉(zhuǎn)動的電動機也停止工作，凸輪停止轉(zhuǎn)動。此種機構(gòu)如果設(shè)計出適當(dāng)?shù)耐馆啓C構(gòu)便可是從動件實現(xiàn)預(yù)期的運動